EP2403633A1 - Koaxialer kompaktstatikmischer sowie dessen verwendung - Google Patents

Koaxialer kompaktstatikmischer sowie dessen verwendung

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EP2403633A1
EP2403633A1 EP10706933A EP10706933A EP2403633A1 EP 2403633 A1 EP2403633 A1 EP 2403633A1 EP 10706933 A EP10706933 A EP 10706933A EP 10706933 A EP10706933 A EP 10706933A EP 2403633 A1 EP2403633 A1 EP 2403633A1
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EP
European Patent Office
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mixing
channels
static mixer
mixer according
sub
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EP10706933A
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English (en)
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EP2403633B1 (de
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Frank Herbstritt
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Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
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Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
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    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
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    • B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/32—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with non-movable mixing or kneading devices
    • B29B7/325—Static mixers

Definitions

  • the invention relates to a highly efficient and scalable compact static mixer with rotationally symmetrical cascaded mixed structure and its use.
  • Static mixers are generally used to mix or disperse fluid media in continuous flow, characterized by the absence of any moving parts - the energy needed for mixing is limited to the motion or pressure drop of the fluid
  • the mixture or media to be mixed enters the mixer continuously, either separately in parallel or in a more or less defined premixed or laminated form, within the mixer. or multiple division, shift and reunification of the mixture stream.
  • all types of mixing and dispersing nozzles or blends can be understood as single-stage static mixers in which one medium is introduced into a second under generally high pressure and high speed and passes therethrough Jet decay and / or turbulence finely distributed.
  • all types of multilamination mixers - mostly micromixers - e.g., those according to WO
  • Static mixer can be understood.
  • static mixers in which the active mixing of the process medium or the process media in several steps or successively over a certain mixing distance by more or less specifically induced turbulent and / or laminar cross flows (turbulence / advection) takes place, which cause a repeated division, shear and / or folding of the flow.
  • turbulent and / or laminar cross flows turbulent / advection
  • These transverse flows are caused or favored by defined deflections, partitions and / or internals in the fluid channel acting as a mixing section.
  • the various types of static mixers of this type differ essentially in the nature and shape of the baffles, partitions or installations in the mixing section.
  • tubular systems with interrupted helical inserts eg "Keenics KM Static Mixer” by Chemineer, Inc.
  • laminations which cross over alternately in the flow direction eg Sulzer SMX, WO 2004/007063 A1, WO 1995/009689 A1 or EP 1486749 A2
  • corrugated sheet-like structural elements eg Sulzer SMV
  • the mixing elements often cause not only a sequential but also a multiple parallel division, displacement and reunification of the process stream.
  • Static mixers are characterized by their very simple and compact design (no moving parts, usually simple integration into the piping system of a plant) compared to dynamic agitators. Compared with batch mixers ("stirred tank"), they also offer significant additional advantages in terms of their low process volume (short residence time) and faster and more energy-efficient mixing due to the intensive cross-mixing (fast fluid exchange between wall and core areas) and the compact flow cross-section and a large surface-to-volume ratio of the mixing section static mixers also often offer much more favorable conditions for the heat exchange of the mixture with the mixing walls than other mixing systems, making them suitable for mixing tasks with simultaneous mixture tempering, pure tempering or continuous reactors with permanent mixing and thus narrow residence time spectrum, for example, for the performance of exothermic or endothermic (chemical) reactions, particularly well suited.
  • Typical characteristic lateral mixed structure dimensions of corresponding micro and micro static mixers are in the range of a few tenths of a millimeter to about 1.5 mm and the total cross section of a single mixing channel is usually limited to values of about 10 mm 2 down to less than 1 mm 2 .
  • Orifice plates or channel structures introduced with very precisely defined pressure drop in the fluid distribution system in front of the mixing structures, in more demanding cases, it may even be necessary to provide each mixing structure with an individual mass flow controller. In any case, in addition to increased costs, these additional elements often generate a not insignificant additional pressure loss and increase the susceptibility of the mixer system to blockages and other possible causes of faults.
  • the flow pattern at the entrance of the individual mixing structure can have a significant influence on the mixing result, especially in the case of very small and micro static mixers.
  • a good mixing result is only achieved until the end of the mixing section if the initial parting plane between the educt media is largely perpendicular to the first parting plane in the mixer. This circumstance may also be taken into account when connecting several identical mixed structures in parallel.
  • the invention therefore relates to a static mixer, comprising a coaxial arrangement of several mixing stages through which the fluid mixture flows sequentially, each of which contains an optionally azimuthally segmented annular passage which in each case merges into an even number of approximately equally sized partial passages which initially follow along the flow direction run through an alternating radial offset until adjacent sub-channels no longer radially overlap, then pulled out by azimuthal displacement and / or broadening into radially nested, possibly azimuthally segmented ring channels, which finally at the end of the respective mixing stage by radial fusion back to a possibly azimuthal segmented annular channel run together (see Figures 2 and 3).
  • fluid fluids are homogeneous liquids and gases (also solutions and substances in the supercritical phase) as well as flowable (and possibly pseudoplastic) multiphase mixtures, e.g. Suspensions, emulsions, gas-liquid mixtures understood in any mixing ratio and every possible flow form.
  • each sub-channel thereby communicates with an increasing number of higher-order neighbors, whereby any fluctuations in the mixing ratio which may be present at the entrance to the first mixing stage along the circumference are successively compensated.
  • local disturbances such as those caused by deposits or blockages in individual sub-channels, thereby affect much less on the pressure drop and the mixing result, as would be the case with parallel management of separate mixing channels.
  • the annular arrangement of the sub-channels along the mixing section ensures that there are no edge zones at which the transverse flow of material would be interrupted. It also favors a very compact and pressure-stable design of the mixer in a cylindrical tube jacket.
  • each sub-channel After passing through a number of mixing stages corresponding to about half the number of sub-channels per mixing stage, each sub-channel has had with each other a direct or indirect mass transfer. A particularly good balance of initial azimuthal variations in the mixing ratio is consequently achieved if the number of mixing stages corresponds to at least half the number of partial channels within the (first) mixing stages.
  • the annular channel at the input and output of each mixing stage can be divided (segmented) in the azimuthal direction both continuously and from the outset in sub-channels executed.
  • the sub-channels are at least in an annular arrangement about a common axis in the sense that the centers of their cross sections in at least one cross-sectional plane of each mixing stage are approximately on a circle.
  • the channel boundaries through which the subdivision comes about are preferably narrower in the azimuthal direction (by at least a factor 0.5) than the subchannels themselves.
  • the alternating in the azimuthal direction radial offset of the sub-channels within the mixing stages can be realized exclusively by guiding each second sub-channel to the mixer axis or away from this as well as by simultaneous (alternating) variation of the radial offset of adjacent sub-channels.
  • the inner boundary surface of the further outer sub-channels must have an at least as large or larger distance to the mixer axis than the outer boundary surface of the further inner sub-channels.
  • the azimuthal broadening of the sub-channels is superimposed on a simultaneous radial taper. Due to this simultaneous change of the azimuthal and radial extent of the subchannels, their cross section along the
  • the transverse dimensions of the sub-channels in a ratio smaller than 5, more preferably smaller than 2 and the length of a single mixing stage interpreted as being measured in the main flow direction of the mixture (this usually corresponds the axial direction of the mixing section), preferably two to ten times, particularly preferably three to six times, corresponds to the greatest radial extent of the sub-channels.
  • the absolute dimensions of the sub-channels as well as their number within a mixing stage should preferably be at the mixing task, in particular at the mixture flow rate, the viscosity of the mixture, possibly the size and amount in the mixture of existing solid components and optionally a predetermined residence time of the mixture in the mixer, respectively Orientate over the mixing section taking into account the permissible pressure drop.
  • a tempered version of the mixer and the required heat transfer performance may be a criterion for the interpretation. If, for example, a particularly intensive mixing of low-viscosity components is to be achieved in the shortest possible time, it is generally advantageous to select the smallest possible partial channels and to adjust their parallel number within the mixing stages to the desired mixture throughput and pressure drop.
  • the number of mixing stages can be kept relatively small due to the good mixture homogeneity already achieved in the first mixing stages, wherein it should preferably not fall below the number of parallel partial channels within the mixing stages by more than a factor of approximately 0.3 to ensure a sufficient tolerance of the mixer against incorrect distributions in the mixing ratio and disturbances within the mixing section.
  • high viscosities or when using or generating particle-containing mixtures can - possibly in addition to increasing the number of parallel sub-channels - an increase in their transverse dimensions may be required.
  • the associated reduction of the achieved mixing quality compared to a mixer with smaller channel dimensions can be compensated within certain limits by increasing the number of mixing stages.
  • the static mixer according to the invention can be advantageously used for different procedural tasks. For example, a mixture of a plurality of initially separate fluid components can be produced in it.
  • the actual mixing section is preferably preceded by a mixer head, which converts the components to be mixed into a radially stratified annular stream.
  • This embodiment is sketched in the case of two different media in Fig. Ia.
  • the geometric dimensions (inner and outer diameter) of the annular channel leading to this annular stream at the outlet of the mixer head correspond to those of the annular channel at the inlet of the first mixing stage of the mixing section of the mixer according to the invention.
  • the mixer according to the invention also permits, due to the particularly defined repeated division and reunification of the stratified input flow, a particularly defined simultaneous mixing of more than two fluid media (see FIG. 1c).
  • This possibility can e.g. be used particularly advantageous when three or more reactive fluid components are to be mixed together, which form each other in each pairwise mixing unwanted by-products.
  • a mixer according to the invention for three input streams, divide the flow of the lower viscous medium into two approximately equal currents and these with the higher viscous stream to be fed into the mixer, that at the beginning of the mixing section, a ring flow is generated, wherein the lower viscous medium each form the inner and the outer ring, while the higher viscous medium flows in the middle ring.
  • the mixer head can be simplified and reduces preferably to an inlet port to the mixing section (see Fig. Ib).
  • the core of the mixing section is additionally provided on the inlet side with a conical diffuser in order to promote a formation of the annular flow at the inlet of the first mixing stage that is low in pressure loss.
  • the mixer can be used in this case, ie when it flows with a premixed process medium, for example, advantageously for further homogenization of the mixture. If the mixture components in each case present state and mixing ratio are soluble in each other, this can be produced in a very short time and with low energy consumption, a homogeneous mixture. Is not complete solubility - o -
  • emulsions are advantageously produced or temporarily maintained in their structure, since high shear gradients within the mixing section act on the mixture due to the repeated current division and deflection (in particular at higher flow velocities).
  • the mass transport in the mixture is greatly accelerated, both within homogeneous phases and between immiscible phases.
  • the mixer is thus also particularly suitable for tempering the mixture during mixing.
  • the temperature of the mixture may be kept targeted, increased or decreased during mixing, e.g. to adjust the viscosity of the mixture or individual components, to influence mass transfer processes, to selectively vary the solubility of individual mixture components or to control the rate of chemical, physical or biological processes in the mixture.
  • a tempered version of the mixer can also be used particularly advantageously in particular for carrying out exothermic or endothermic chemical reactions.
  • one or more stages of the process may take place in succession or partly in parallel: the formation of the reaction mixture from the reactants, the adjustment of the reaction temperature (eg to initiate the reaction) and / or the management of the reaction or a part thereof under defined and homogeneous temperature and concentration conditions.
  • the temperature of the mixer can be advantageously realized, for example, by channels introduced into or around the outer walls of the mixing section and optionally in its core, which in operation are flowed through by a fluid temperature control medium, as known to those skilled in the art of heat exchanger technology.
  • a fluid temperature control medium as known to those skilled in the art of heat exchanger technology.
  • electrical heating of the mixer jacket (and possibly of the core) is possible, for example, by resistance heating elements or by inductive means.
  • Other methods of heating or cooling such as irradiation with infrared light or microwaves, the use of Peltier elements or the flow of Temperierkanälen with exothermic or endothermic reactive mixtures may be advantageous in certain applications of the mixer.
  • construction materials for the construction of the mixer according to the invention in principle all materials suitable for the respective application (for example with regard to strength, chemical and thermal resistance, workability, thermal conductivity, thermal expansion, etc.) are suitable.
  • corrosion-resistant metals such as e.g.
  • fluoroplastics e.g., PTFE, PFA, etc.
  • fluoroelastomers e.g., FFKM, FKM-primarily as sealing materials.
  • a preferred embodiment of the mixer or its mixing section is composed of a cone-shaped or cylindrical core element (20) with channel structures inserted therein, a first arrangement of a plurality of inner ring elements (21) pushed over this core, arranged one behind the other and provided with substantially axially extending channel structures ) and a second coaxial arrangement of outer ring elements (22) overlapping in abutment with the first arrangement, which are enclosed by a pressure- and fluid-tight, tubular jacket (see Fig. 5).
  • the fabrication of the mixing path defining components of this embodiment can be fully and particularly advantageously realized by machining (e.g., turning, drilling, milling, grinding) and / or molding (e.g., injection molding, powder injection or investment casting) manufacturing techniques.
  • Another advantage of this embodiment is the complete dismantling of the mixer, in the sense that all the process fluid-contacting surfaces for inspection and cleaning purposes can be made reversibly accessible with little effort.
  • a further preferred embodiment of the mixer or its mixing section is constructed from wedge-shaped cylinder segments which, arranged around a common axis, yield a cylinder (possibly also a hollow cylinder).
  • a cylinder possibly also a hollow cylinder.
  • Material cuts introduced, which in the cylindrical assembly of the segments give a mixed structure according to the invention ( Figure 6).
  • Figure 6 the use of at least two differently structured cylinder segment types is required, which are used in the assembly in each case alternating arrangement.
  • a mixer according to the invention Due to the repeated division and redeployment of the - possibly stratified on the input side - process fluid flow along the mixing section can be easily realized on a number of mixing stages (eg 5 to 20) to the mixer output theoretical thickness of the individual fluid layers in the range less than 0.01 mm or even less will be realized.
  • a mixer according to the invention thus achieves in many cases approximately the performance of a multi-lamination micromixer with comparable pressure drop and flow values.
  • the static mixer according to the invention has by well a factor of 5 to 20 larger minimum dimensions of the channels through which it flows and is therefore considerably less susceptible to deposits and blockages.
  • a static mixer according to the invention u.a.
  • a static mixer according to the invention can be used particularly advantageously for producing polymers or polymer mixtures, for mixing at least two fluid media, of which at least one is a suspension, or for producing suspensions by precipitation.
  • FIGS. 1 a to c show the basic structure of a mixer according to the invention for different numbers of fluid media to be mixed, in longitudinal section,
  • 3a to f cross-sections of a mixer according to the invention with alternative guidance of the sub-channels at different positions within a mixing stage
  • 4a to 1 are cross-sections of a mixer according to the invention with a further alternative guidance of the sub-channels at different positions within a mixing stage, wherein the azimuthal offset of the sub-channels takes place in successive mixing stages in the opposite direction
  • Figure 5 a and b is a perspective view of a possible embodiment of the
  • Figure 6 is a perspective view of another possible
  • Embodiment of the mixing section of a mixer according to the invention (detail) in partially exploded form
  • Figure Ia shows the longitudinal section of a static mixer according to the invention in an embodiment, as it is preferably used for mixing two different fluid media.
  • the mixing section (2) consisting of a sequence of sequentially flowed through mixing stages (1), in this case a mixer head (3) is connected upstream, which the two via the inlets (5a / b) separately supplied to be mixed media (7a / b) in the form of a radially stratified ring stream fed into the mixing section.
  • the mixture (8) leaves the mixer via the outlet segment (4) attached to the outlet (6) of the mixing section.
  • FIG. 1b shows the longitudinal section of a static mixer according to the invention in a further embodiment, which can preferably be used for the further mixing or homogenization of an already premixed product stream (7).
  • This embodiment differs from that shown in Fig. Ia substantially by the shape of the mixer head, which is provided in this case only with a fluid inlet (5).
  • Figure Ic shows the longitudinal section of a static mixer according to the invention in a third embodiment, which preferably serves to mix three separate fluid streams.
  • This may be, for example, three different media that are to be processed simultaneously to a uniform mixture.
  • Figure 2 illustrates the Fluidbowung within a mixing stage of a erf ⁇ ndungswashen mixer using a sequence of successive in the flow direction cross sections:
  • the mixture flow occurs in the form of a - ideally radially stratified - annular flow (10) in the mixing stage (Fig. 2a).
  • this ring flow merges into a (even) number of subchannels (11), ie it is segmented azimuthally (FIG. 2b).
  • the subchannels undergo an alternately opposite radial offset (FIGS. 2b to 2c) until adjacent subchannels in the radial direction no longer overlap one another.
  • the sub-channels undergo an azimuthal extension until originally adjacent sub-channels largely overlap one another again in the azimuthal direction (FIGS. 2c to 2d).
  • 2d) or the partial segmentation after the azimuthal extension preferably goes directly into the subchannel arrangement of the following mixing stage (FIG. 2f - then by 1 / 16 rotation rotates) over.
  • the azimuthal stretching of the sub-channels which represents the transition of the radially offset sub-channels into a (possibly segmented) ring flow ( Figure 2c to 2d)
  • Figure 2c to 2d the azimuthal stretching of the sub-channels, which represents the transition of the radially offset sub-channels into a (possibly segmented) ring flow ( Figure 2c to 2d)
  • Figure 2c to 2d the azimuthal stretching of the sub-channels, which represents the transition of the radially offset sub-channels into a (possibly segmented) ring flow
  • FIG. 3 shows an alternative fluid guide within a mixing stage of a mixer according to the invention on the basis of a sequence of successive flows in the direction of flow
  • FIG. 4 essentially illustrates the same fluid flow within a mixing stage of a mixer according to the invention, but additionally represents the sequence of partial channel curves in the subsequent mixing stage (FIGS. 4f to i).
  • this subsequent mixing stage the azimuthal offset of adjacent partial channels displaced radially relative to one another takes place in the opposite direction to the previous mixing stage.
  • This form of fluid guidance in which the direction of the azimuthal offset alternates within successive mixing stages, is particularly preferred since this results in particularly good cross-mixing between the sub-channels along the mixing path.
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of the mixing section (detail) of a mixer according to the invention.
  • This consists of a cylindrical, provided on its outer surface with channel structures core (20) and alternately pushed over inner (21) and outer (22) ring segments together, which results in the combination of the desired realization of the sub-channel guide (in the example shown in Fig. 2 sketched).
  • Figure 6 shows a perspective view of another possible embodiment of the mixing section of a mixer according to the invention (detail). This is composed of two different types of wedge-shaped cylinder segments, in whose side surfaces specific channel structure elements are introduced. In an alternating arrangement of the cylinder segments to a complete cylinder, the channel structure elements of the individual segments connect to the mixing structure of a mixing section according to the invention.
  • FIG. 7 shows a further possible embodiment of a mixing stage of the mixing section of a mixer according to the invention.
  • the sub-channels are partially incorporated as a continuous openings or holes in different, preferably round, discs.
  • the openings or bores form a coherent system of channels of a mixing section according to the invention.
  • the Sche ⁇ benstape] is inserted for use in a suitable, eg tubular housing (not shown here), which optionally contains a mixer head and an outlet segment for supply and discharge of the process fluids.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen hocheffizienten und skalierbaren Kompaktstatikmischer mit rotationssymmetrischer kaskadierter Mischstruktur sowie dessen Verwendung.

Description

Koaxialer Kompaktstatikmischer sowie dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft einen hocheffizienten und skalierbaren Kompaktstatikmischer mit rotationssymmetrischer kaskadierter Mischstruktur sowie dessen Verwendung.
Statische Mischer (oder „Statikmischer") dienen im Allgemeinen der Vermischung bzw. Dispergierung fluider Medien im kontinuierlichen Durchfluss. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keine beweglichen Teile enthalten - die für die Vermischung benötigte Energie wird ausschließlich der Bewegung bzw. dem Druckgefalle der durch den Mischer hindurch fließenden Strömung entnommen. Das oder die zu vermischenden Medien treten dabei zunächst kontinuierlich, entweder getrennt parallel oder in mehr oder weniger definiert vorgemischter oder -laminierter Form, in den Mischer ein. Innerhalb des Mischers erfolgt dann die Vermischung der Gemischkomponenten durch ein- oder mehrfache Teilung, Verschiebung und Wiedervereinigung des Gemischstroms.
Als einstufige Statikmischer können beispielsweise alle Arten von Misch- und Dispergierdüsen oder -Blenden (z.B. solche gemäß US 2,531,547 oder EP 1203036 Bl) verstanden werden, bei denen ein Medium unter meist hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in ein zweites eingebracht wird und sich in diesem durch Strahlzerfall und/oder Turbulenz fein verteilt. Ferner können alle Arten von Multilaminationsmischern - meist Mikromischer - (z.B. solche gemäß WO
00/76648, EP 1718403 Bl oder WO 2004/052518 A3), bei denen die Vermischung der Eingangsströme durch einmalige Aufteilung in eine Vielzahl von Teilströmen und deren anschließende Zusammenfuhrung in alternierender Anordndung erfolgt, als einstufige
Statikmischer aufgefasst werden.
Im engeren Sinne werden allerdings solche Mischer als statische Mischer bezeichnet, bei denen die aktive Vermischung des Prozessmediums bzw. der Prozessmedien in mehreren Schritten bzw. sukzessive über eine gewisse Mischstrecke durch mehr oder weniger gezielt induzierte turbulente und/oder laminare Querströmungen (Turbulenz/Advektion) erfolgt, welche eine wiederholte Teilung, Scherung und/oder Faltung der Strömung bewirken. Diese Querströmungen werden durch definiert eingebrachte Umlenkungen, Aufteilungen und/oder Einbauten in dem als Mischstrecke fungierenden Fluidkanal hervorgerufen bzw. begünstigt. Die verschiedenen Typen von Statikmischern dieser Art unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art und Form der Umlenkungen, Aufteilungen bzw. Einbauten in der Mischstrecke. So sind Systeme bekannt, die im Wesentlichen aus einem Rohr mit darin periodisch hintereinander angeordneten Blenden oder Düsen bestehen (z.B. Fig. 18-31 in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 7th ed., McGraw Hill, New York (1997)). Sehr weit verbreitet sind insbesondere rohrförmige Systeme mit unterbrochen- spiralförmigen Einsätzen (z.B. „Keenics KM Static Mixer" von Chemineer, Inc.), sich in Strömungsrichtung alternierend überkreuzenden Lamellen (z.B. Sulzer SMX, WO 2004/007063 Al, WO 1995/009689 Al oder EP 1486749 A2) oder wellblechartigen Strukturelementen (z.B. Sulzer SMV). Insbesondere in den letztgenannten zwei Klassen von Statikmischem bewirken die Mischelemente oft nicht nur eine sequenzielle sondern zudem auch eine mehrfach parallele Aufteilung, Verschiebung und Wiedervereinigung des Prozessstroms.
Mit kleiner werdenden Rohrquerschnitten wird aus prozesstechnischen (z.B. Druckverlust, Foulinganfälligkeit) wie auch aus fertigungstechnischen Gründen (Feinheit der Mischstrukturen) üblicherweise die Zahl der parallelen Stromteilungen reduziert, so dass man spätestens bei Erreichen von Teilkanalabmessungen deutlich unterhalb eines Millimeters („Mikromischer") pro Mischstufe meist nur noch eine Aufteilung des Medienstroms auf zwei Teilströme vornimmt, welche dann verschoben oder versetzt wieder zusammengeführt werden (z.B. US 5,904,424, WO 97/13075 und US 6,457,854 Bl sowie in Hessel/Hardt/Löwe, „Chemical Micro Process Engineering", Wiley-VCH, Weinheim (2004), S. 401 „Caterpillar Mini Mixer" - im Folgenden als „Kaskadenmischer" bezeichnet).
Statikmischer zeichnen sich gegenüber dynamisch arbeitenden Rührwerken durch ihren sehr einfachen und kompakten Aufbau aus (keine beweglichen Teile; meist einfache Integration in das Verrohrungssystem einer Anlage). Gegenüber diskontinuierlich arbeitenden Mischern („Rührkessel") bieten sie ferner mitunter deutliche zusätzliche Vorteile durch ihr geringes Prozessvolumen (kurze Verweilzeit) sowie eine schnellere und energie-effϊzientere Vermischung. Durch die intensive Quervermischung (schneller Fluidaustausch zwischen Wand- und Kernbereichen), den kompakten Strömungsquerschnitt und ein großes Oberfläche-Volumen- Verhältnis der Mischstrecke bieten Statikmischer zudem oft wesentlich günstigere Bedingungen für den Wärmeaustausch des Gemischs mit den Mischwänden als andere Mischsysteme, wodurch sie sich auch für Mischaufgaben mit gleichzeitiger Gemischtemperierung, reine Temperieraufgaben oder als kontinuierlich arbeitende Reaktoren mit permanenter Durchmischung und somit engem Verweilzeitspektrum, z.B. für die Durchführung exothermer oder endothermer (chemischer) Reaktionen, besonders gut eignen.
Intensiviert werden diese Vorteile in vielen Fällen durch Reduktion der charakteristischen Dimensionen (z.B. Kanal-/Mischstrukturabmessungen) der Mischstrecke. Hierdurch werden Diffusionswege für den Stoff- und Wärmetransport reduziert und somit Misch- und Wärmetauschvorgänge mitunter stark beschleunigt. In engen Kanalstrukturen liegen ferner auch über einen sehr breiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten laminare und damit sehr definierte Strömungsverhältnisse vor, die eine besonders gleichmäßige und gezielte Gemischbildung bei minimiertem Energieeintrag ermöglichen. Übliche charakteristische laterale Mischstrukturdimensionen entsprechender Kleinst- und Mikro-Statikmischer liegen im Bereich weniger Zehntelmillimeter bis ca. 1,5 mm und der Gesamtquerschnitt eines einzelnen Mischkanals ist meist auf Werte von ca. 10 mm2 bis hin zu unter 1 mm2 beschränkt. Dem entsprechend ist der mögliche Durchsatz eines solchen Kleinst- oder Mikrostatikmischers bei gegebenem eingangsseitigem Förderdruck deutlich limitiert. So überschreiten übliche Massenströme, welche in derartigen Mischern vermischt werden, selten Werte von einigen 10 kg/h und decken damit für die meisten Anwendungen bestenfalls den Produktdurchsatz im Labor- und Technikumsmaßstab ab.
Um höhere Mediendurchsätze zu realisieren, ohne die spezifischen Vorteile eines (ggf. im Labormaßstab optimierten) Kleinst- bzw. Mikrostatikmischers wieder zu verlieren, ist es nahe liegende Praxis, mehrere identische Mischstrukturen (Kanäle) parallel zu schalten. Da die Vermischung in jeder einzelnen dieser Mischstrukturen stofflich getrennt von derjenigen in den anderen Mischstrukturen abläuft, ist es in diesem Fall notwendig, die zu vermischenden Komponenten am Eingang jeder einzelnen der individuellen parallelen Mischstrukturen mit dem jeweils selben Mengenverhältnis (Massenstromverhältnis) einzuspeisen. Eine hinreichend gute Gleichverteilung der Medienströme ist aufgrund der fertigungs- und prozessbedingten Durckverlustvariationen zwischen den einzelnen Mischstrukturen dabei fast immer mit zusätzlichem technischen Aufwand verbunden. So werden im einfachsten Fall als zusätzliche Elemente z.B. Drosselblenden oder Kanalstrukturen mit sehr präzise definiertem Druckabfall in das Fluidverteilungssystem vor den Mischstrukturen eingebracht, in anspruchsvolleren Fällen kann es sogar notwendig sein, jede Mischstruktur mit einem individuellen Massenstromregler zu versehen. In jedem Fall generieren diese zusätzlichen Elemente neben erhöhten Kosten einen oft nicht unerheblichen zusätzlichen Druckverlust und erhöhen die Anfälligkeit des Mischersystems gegenüber Verstopfungen und anderen möglichen Fehlerursachen.
Neben dem Mengenstromverhältnis kann insbesondere bei Kleinst- und Mikrostatikmischern auch das Strömungsbild am Eingang der einzelnen Mischstruktur signifikanten Einfluss auf das Mischergebnis haben. So wird beispielsweise bei Einspeisung eines laminaren Stromes zweier Eduktmedien in einen Kaskadenmischer nur dann ein gutes Mischergebnis bis zum Ende der Mischstrecke erreicht, wenn die anfängliche Trennebene zwischen den Eduktmedien weitest gehend senkrecht zur ersten Teilungsebene im Mischer liegt. Diesem Umstand ist bei der Parallelschaltung mehrerer identischer Mischstrukturen ggf. ebenfalls Rechnung zu tragen.
Vor dem Hintergrund dieser Problematik stellt sich daher die Aufgabe, einen Statikmischer zu beschreiben, der nach einfachen Prinzipien und mit geringem technischen Aufwand über einen - -
breiten Mengestrombereich skaliert werden kann, ohne die charakteristischen Dimensionen seiner Mischstrukturen zu variieren und zusätzliche Druckverlust verursachende Elemente zu erfordern. Die Aufgabe wird überraschenderweise gelöst durch den im Folgenden beschriebenen Statikmischer.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Statischer Mischer, umfassend eine vom fluiden Mischgut sequenziell durchströmte koaxiale Anordnung von mehreren Mischstufen, jede einzelne davon enthaltend einen ggf. azimutal segmentierten Ringkanal, der jeweils in eine gerade Anzahl annähernd gleich großer Teilkanäle übergeht, welche entlang der Strömungsrichtung zunächst einen alternierenden radialen Versatz durchlaufen bis benachbarte Teilkanäle radial nicht mehr überlappen, dann durch azimutale Verschiebung und/oder Verbreiterung zu radial ineinander geschachtelten, ggf. azimutal segmentierten Ringkanälen ausgezogen werden, welche schließlich am Ende der jeweiligen Mischstufe durch radiale Verschmelzung wieder zu einem ggf. azimutal segmentierten Ringkanal zusammen laufen (s. Figuren 2 und 3).
Als fluide Medien (Mischgut) im Sinne der Erfindung werden homogene Flüssigkeiten und Gase (auch Lösungen und Stoffe in der überkritischen Phase) ebenso wie fließfähige (ggf. auch strukturviskose) mehrphasige Gemische, z.B. Suspensionen, Emulsionen, Gas-flüssig-Gemische in jeglichem Mischungsverhältais und jeder möglichen Strömungsform verstanden.
Durch die gegenseitige azimutale Verschiebung der Teilkanäle innerhalb der Mischstufen wird erreicht, dass zwischen jeweils benachbarten Kanälen ein Stoffaustausch stattfindet. Über eine zunehmende Anzahl von Mischstufen hinweg kommuniziert dadurch jeder Teilkanal mit einer zunehmenden Anzahl von Nachbarn höherer Ordnung, womit evtl. am Eintritt zu ersten Mischstufe entlang des Umfangs vorliegende Schwankungen im Mischungsverhältnis sukzessive ausgeglichen werden. Auch lokale Störungen, wie sie z.B. durch Ablagerungen oder Verstopfungen in einzelnen Teilkanälen verursacht werden, wirken sich hierdurch weitaus weniger auf den Druckabfall und das Mischergebnis aus, als dies bei paralleler Führung getrennter Mischkanäle der Fall wäre. Die ringförmige Anordnung der Teilkanäle entlang der Mischstrecke sorgt dabei dafür, dass es keine Randzonen gibt, an denen der transversale Stofffluss unterbrochen würde. Sie begünstigt zudem eine sehr kompakte und druckstabile Bauweise des Mischers in einem zylindrischen Rohrmantel. Nach Durchlaufen einer Anzahl von Mischstufen, die etwa der halben Anzahl von Teilkanälen pro Mischstufe entspricht, hat jeder Teilkanal mit jedem anderen unmittelbaren oder mittelbaren Stoffaustausch gehabt. Ein besonders guter Ausgleich anfänglicher azimutaler Variationen im Mischungsverhältnis wird folglich erreicht, wenn die Anzahl der Mischstufen wenigstens der halben Anzahl von Teilkanälen innerhalb der (ersten) Mischstufen entspricht. Der Ringkanal am Ein- und Ausgang jeder Mischstufe kann in azimutaler Richtung sowohl durchgehend als auch von vornherein in Teilkanäle unterteilt (segmentiert) ausgeführt sein. Im Falle einer segmentierten Ausführung liegen die Teilkanäle zumindest in einer ringförmigen Anordnung um eine gemeinsame Achse in dem Sinne, dass die Mittelpunkte ihrer Querschnitte in wenigstens einer Querschnittsebene jeder Mischstufe in etwa auf einem Kreis liegen. Die Kanalbegrenzungen, durch welche die Unterteilung zustand kommt, sind dabei vorzugsweise in azimutaler Richtung deutlich (um wenigstens Faktor 0,5) schmaler als die Teilkanäle selbst. Im Falle einer segmentierten Ausführung ist es im allgemeinen vorteilhaft, wenn die Teilkanäle beim Übergang von einer Mischstufe in die darauf folgende ohne Versatz oder Stufen fortgeführt werden, womit insbesondere die Anzahl der Kanalsegmente in aufeinender folgenden Mischstufen gleich sein sollte.
Der in azimutaler Richtung alternierende radiale Versatz der Teilkanäle innerhalb der Mischstufen kann ausschließlich durch Führung jedes zweiten Teilkanals zur Mischerachse hin oder von dieser weg wie auch durch simultane (alternierende) Variation des radialen Versatzes benachbarter Teilkanäle realisiert werden. Am Ende der Versatzstrecke muss jedoch die innere Begrenzungsfläche der weiter außen liegenden Teilkanäle einen mindestens so großen oder größeren Abstand zur Mischerachse aufweisen als die äußere Begrenzungsfläche der weiter innen liegenden Teilkanäle.
Der Übergang der innerhalb einer Mischstufe durch alternierenden radialen Versatz abwechselnd auf zwei radiale Ebenen verteilten Teilkanäle zu zwei konzentrischen, ggf. bis zum Ende der
Mischstufe durchgängig azimutal segmentierten Ringkanälen erfolgt durch azimutale
Verbreiterung der Teilkanäle entlang des Strömungsverlaufs, der ein - bevorzugt zwischen den beiden Ebenen gegenläufiger - azimutaler Versatz der Teilkanäle vorgeschaltet oder überlagert sein kann. Vorzugsweise ist der azimutalen Verbreiterung der Teilkanäle dabei eine simultane radiale Verjüngung überlagert. Besonders bevorzugt wird durch diese simultane Änderung der azimutalen und radialen Ausdehnung der Teilkanäle deren Querschnitt entlang des
Strömungsverlaufs wenigstens annähernd konstant gehalten.
In gewissen Fällen, insbesondere wenn im Verlauf der Vermischung die Viskosität des Gemischs (zumindest gegenüber einer seiner Ausgangskomponenten) signifikant abnimmt, kann es im Gegensatz zu der allgemein als vorteilhaft eingestuften Kontinuität der Segmentierung bzw. Kanalzahl und des Kanalquerschnitts über die verschiedenen Mischstufen hinweg auch vorteilhaft sein, die Anzahl der parallelen Kanäle von einer Mischstufe zu einer darauf folgenden zu steigern und dabei parallel die Abmessungen der Kanäle zu verringern. Li diesem Fall erscheint es besonders vorteilhaft, zwischen den aufeinander folgenden Mischstufen mit unterschiedlicher - -
Kanalzahl ein unsegmentiertes Stück Ringkanal in die Mischstrecke einzusetzen oder die Kanalzahl in der stromabwärts gelegenen der beiden Mischstufen gegenüber der stromaufwärts gelegenen um ein ganzzahliges Vielfaches zu erhöhen, so dass sich an jeden Kanal bzw. jedes Kanalsegment aus der stromaufwärts gelegenen Mischstufe eine jeweils gleiche Zahl und Anordnung von stromabwärts gelegenen Kanälen bzw. Segmenten anschließt.
Aufgrund von strömungstechnischen Erwägungen erscheint es vorteilhaft, die transversalen Abmessungen der Teilkanäle in einem Verhältnis kleiner 5, besonders bevorzugt kleiner 2 zueinander zu wählen und die Länge einer einzelnen Mischstufe so auszulegen, dass sie, gemessen in der Hauptströmungsrichtung des Gemischs (diese entspricht in der Regel der Axialrichtung der Mischstrecke), bevorzugt dem Zwei- bis Zehnfachen, besonders bevorzugt dem Drei- bis Sechsfachen der größten radialen Ausdehnung der Teilkanäle entspricht.
Die absoluten Abmessungen der Teilkanäle sowie deren Anzahl innerhalb einer Mischstufe sollten sich bevorzugt an der Mischaufgabe, insbesondere am Gemischdurchsatz, der Viskosität des Gemischs, evtl. der Größe und Menge im Gemisch vorhandener fester Bestandteile und ggf. einer vorgegebenen Verweilzeit des Gemischs im Mischer, jeweils unter Berücksichtigung des zulässigen Druckverlustes über die Mischstrecke orientieren. Bei einer temperierten Ausführung des Mischers kann auch die geforderte Wärmeübertragungsleistung ein Kriterium für die Auslegung sein. Sofern z.B. in möglichst kurzer Zeit eine besonders intensive Vermischung niedrig viskoser Komponenten erreicht werden soll, ist es in der Regel vorteilhaft, möglichst kleine Teilkanäle zu wählen und deren parallele Anzahl innerhalb der Mischstufen dem gewünschten Gemischdurchsatz und Druckabfall anzupassen. Die Anzahl der Mischstufen kann in diesem Fall aufgrund der bereits in den ersten Mischstufen erreichten guten Gemischhomogenität relativ klein gehalten werden, wobei sie die Zahl der parallelen Teilkanäle innerhalb der Mischstufen vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor von ca. 0,3 unterschreiten sollte, um eine hinreichende Toleranz des Mischers gegenüber Fehlverteilungen im Mischungsverhältnis und Störungen innerhalb der Mischstrecke zu gewährleisten. Insbesondere beim Übergang zu hohen Gemischdurchsätzen, hohen Viskositäten oder bei Einsatz oder Erzeugung partikelhaltiger Gemische kann - ggf. zusätzlich zur Erhöhung der Zahl paralleler Teilkanäle - eine Vergrößerung deren transversaler Abmessungen erforderlich sein. Die damit verbundene Verringerung der erreichten Mischqualität gegenüber einem Mischer mit kleineren Kanaldimensionen kann in gewissen Grenzen durch die Erhöhung der Anzahl der Mischstufen kompensiert werden. Beide Maßnahmen führen naturgemäß — insbesondere in Kombination — zu einer Erhöhung des Fluidvolumens der Mischstrecke und damit zu einer Vergrößerung der Verweilzeit des Gemischs darin. Die Vermischungsgeschwindigkeit wird folglich hierdurch herabgesetzt. Auf Basis dieser Überlegungen liegen in der Praxis sinnvolle transversale Teilkanalabmessungen bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm.
Der erfindungsgemäße Statikmischer kann für unterschiedliche verfahrenstechnische Aufgaben vorteilhaft genutzt werden. Beispielsweise kann in ihm ein Gemisch aus mehreren zunächst getrennt vorliegenden fluiden Komponenten erzeugt werden. In diesem Falle ist der eigentlichen Mischstrecke bevorzugt ein Mischerkopf voranzuschalten, welcher die zu vermischenden Komponenten in einen radial geschichteten Ringstrom überführt. Diese Ausführungsform ist für den Fall von zwei unterschiedlichen Medien in Fig. Ia skizziert. Besonders bevorzugt entsprechen die geometrischen Abmessungen (Innen- und Außendurchmesser) des diesen Ringstrom führenden Ringkanals am Austritt des Mischerkopfes denen des Ringkanals am Eintritt der ersten Mischstufe der Mischstrecke des erfindungsgemäßen Mischers. Im Vergleich zu den meisten bekannten Statikmischerkonzepten ermöglicht der erfindungsgemäße Mischer dabei aufgrund der besonders definierten wiederholten Teilung und Wiedervereinigung des geschichteten Eingangsstroms auch eine besonders definierte simultane Vermischung von mehr als zwei fluiden Medien (siehe Fig. Ic). Diese Möglichkeit kann z.B. dann besonders vorteilhaft genutzt werden, wenn drei oder mehr reaktive fluide Komponenten miteinander vermischt werden sollen, welche untereinander bei jeweils paarweiser Vermischung unerwünschte Nebenprodukte bilden.
Im Falle, dass ein höher viskoses Medium mit einem deutlich niedriger viskosen Medium vermischt werden soll, kann es ferner vorteilhaft sein, einen erfindungsgemäßen Mischer für drei Eingangsströme zu verwenden, den Strom des niedriger viskosen Mediums in zwei in etwa gleich große Ströme aufzuteilen und diese mit dem höher viskosen Strom so in den Mischer einzuspeisen, dass am Anfang der Mischstrecke ein Ringstrom erzeugt wird, bei welchem das niedriger viskose Medium jeweils den inneren und den äußeren Ring bilden, während das höher viskose Medium im mittleren Ring strömt.
In einem anderen Fall der Verwendung des erfindungsgemäßen Mischers liegt das Gemisch bereits in vorvermischter Form vor. In diesem Fall kann der Mischerkopf vereinfacht ausgeführt werden und reduziert sich vorzugsweise auf einen Einlassstutzen zur Mischstrecke (siehe Fig. Ib). Besonders bevorzugt wird der Kern der Mischstrecke dabei einlassseitig zusätzlich mit einem Kegeldiffusor versehen, um eine Druckverlustarme Ausbildung der Ringströmung am Einlass der ersten Mischstufe zu fördern. Der Mischer kann in diesem Fall, d.h. bei Beströmung mit einem vorgemischten Prozessmedium, z.B. vorteilhaft zur weiteren Homogenisierung des Gemischs eingesetzt werden. Sofern die Gemischkomponenten im jeweils vorliegenden Zustand und Mischungsverhältnis ineinander löslich sind, kann hierdurch in sehr kurzer Zeit und mit geringem Energieaufwand ein homogenes Gemisch erzeugt werden. Ist eine vollständige Löslichkeit nicht - o -
gegeben, können mit dem Mischer z.B. vorteilhaft Emulsionen erzeugt bzw. in ihrer Struktur vorübergehend aufrechterhalten werden, da durch die wiederholte Stromteilung und -umlenkung (insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten) hohe Schergradienten innerhalb der Mischstrecke auf das Gemisch wirken. In jedem Fall wird bei der Durchströmung des erfindungsgemäßen Mischers der Stofftransport im Gemisch sowohl innerhalb homogener Phasen als auch zwischen nicht mischbaren Phasen stark beschleunigt.
Aufgrund der intensiven Quervermischung des Gemischstroms beim Durchlaufen des erfindungsgemäßen Statikmischers ist hierin neben dem intensivierten Stofftransport auch ein besonders guter Wärmeaustausch zwischen dem Gemischstrom und den Wänden der Mischstrecke gegeben. Über die Variation der Anzahl paralleler Teilkanäle innerhalb der Mischstufen bei konstant gehaltenem Teilkanalquerschnitt und somit festem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen- steht dabei eine Möglichkeit zur Durchsatzskalierung des Mischers bei gleichbleibend gutem Wärmeaustausch zur Verfügung, welche bei der Skalierung der bekannten Statikmischer über den Querschnitt der Mischstrecke in der Regel nicht gegeben ist. Der Mischer eignet sich somit auch besonders gut zur Temperierung des Gemischs während der Vermischung. So kann beispielsweise die Temperatur des Gemischs gezielt gehalten, während der Vermischung erhöht oder abgesenkt werden, z.B. um die Viskosität des Gemischs oder einzelner Komponenten einzustellen, Stoffaustauschvorgänge zu beeinflussen, die Löslichkeit einzelner Gemischbestandteile gezielt zu variieren oder die Geschwindigkeit chemischer, physikalischer oder biologischer Vorgänge im Gemisch zu steuern.
Eine temperierte Ausführung des Mischers kann ferner besonders vorteilhaft insbesondere zur Durchführung exothermer oder endothermer chemischer Reaktionen eingesetzt werden. Innerhalb des Mischers können dabei eine oder mehrere Stufen des Prozesses in Folge oder teilweise ineinander übergehend parallel ablaufen: Die Bildung des Reaktionsgemischs aus den Reaktanden, die Einstellung der Reaktionstemperatur (z.B. zur Einleitung der Reaktion) und/oder die Führung der Reaktion oder eines Teils davon unter definierten und homogenen Temperatur- und Konzentrationsbedingungen.
Die Temperierung des Mischers kann beispielsweise vorteilhaft durch in oder um die Außenwände der Mischstrecke sowie ggf. in deren Kern eingebrachte Kanäle realisiert werden, welche im Betrieb von einem fluiden Temperiermedium, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet der Wärmetauschertechnik bekannt ist, durchströmt werden. Alternativ ist eine elektrische Beheizung des Mischermantels (und ggf. des Kerns) z.B. durch Widerstandsheizelemente oder auf induktivem Wege möglich. Auch andere Methoden der Beheizung oder Kühlung, wie z.B. Bestrahlung mit Infrarotlicht oder Mikrowellen, der Einsatz von Peltierelementen oder die Durchströmung von Temperierkanälen mit exotherm oder endotherm reaktiven Gemischen können in gewissen Einsatzfällen des Mischers vorteilhaft sein.
Als Konstruktionsmaterialien für den Aufbau des erfindungsgemäßen Mischers kommen grundsätzlich alle für die jeweilige Anwendung (z.B. hinsichtlich Festigkeit, chemischer und thermischer Beständigkeit, Bearbeitbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung etc.) geeigneten Materialien infrage. Bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanische, thermische und chemische Beständigkeit, wie sie häufig im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik auftreten, kommen bevorzugt korrosionsbeständige Metalle wie z.B. Edelstahle, Nickelbasis-Legierungen, Titan(-legierungen) oder Refraktärmetalle sowie Keramiken (z.B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid), Fluorkunststoffe (z.B. PTFE, PFA etc.) und Fluorelastomere (z.B. FFKM, FKM -vorwiegend als Dichtungsmaterialien) zum Einsatz. Bei geringen Anforderungen an die chemische Beständigkeit und mäßigen Anforderungen an die thermische und mechanische Stabilität kann auch der Einsatz von preiswerteren und in der Regel leichter zu bearbeitenden NE-Metallen wie z.B. Aluminium-, Kupfer- oder Messingwerkstoffen vorteilhaft sein. Sind die Anforderungen an die Druck- und Temperaturstabilität noch geringer, lassen sich auch Kunststoffe - u.a. aufgrund ihrer guten Bearbeitbarkeit - bevorzugt für den Aufbau eines erfϊndungsgemäßen Mischers einsetzen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Mischers bzw. seiner Mischstrecke setzt sich aus einem konus- oder zylinderförmigen Kernelement (20) mit darin eingebrachten Kanalstrukturen, einer ersten Anordnung von mehreren über diesen Kern geschobenen, hintereinander angeordneten, mit im Wesentlichen axial verlaufenden Kanalstrukturen versehenen inneren Ringelementen (21) und einer zweiten hierzu koaxialen Anordnung von mit der ersten Anordnung auf Stoß überlappenden äußeren Ringelementen (22) zusammen, welche von einen druck- und fluiddichten, rohrförmigen Mantel umschlossen werden (s. Fig. 5). Die Herstellung der die Mischstrecke definierenden Komponenten dieser Ausführungsform lässt sich vollständig und besonders vorteilhaft durch spanabhebende (z.B. Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen) und/oder abformende (z.B. Spritzguss, Pulverspritzguss oder Feinguss) Fertigungsverfahren realisieren. In gewissen Fällen kann die zusätzliche Bearbeitung durch funkenerosive Methoden sinnvoll oder notwendig werden. Als weiterer Vorzug dieser Ausführungsform stellt sich die vollständige Zerlegbarkeit des Mischers dar, in dem Sinne, dass alle das Prozessfluid berührenden Oberflächen zu Inspektions- und Reinigungszwecken mit geringem Aufwand reversibel zugänglich gemacht werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Mischers bzw. seiner Mischstrecke ist aus keilförmigen Zylindersegmenten aufgebaut, welche um eine gemeinsame Achse angeordnet einen Zylinder (ggf. auch Hohlzylinder) ergeben. In die Seitenflächen der Zylindersegmente sind Materialschnitte (Vertiefungen) eingebracht, welche im zylinderförmigen Zusammenbau der Segmente eine erfindungsgemäße Mischstruktur ergeben (Figur 6). Hierbei ist die Verwendung wenigstens zweier unterschiedlich strukturierter Zylindersegmenttypen erforderlich, welche im Zusammenbau in jeweils alternierender Anordnung zum Einsatz kommen.
Durch die wiederholte Teilung und Umschichtung des - ggf. eingangsseitig geschichteten - Prozessfluidstroms entlang der Mischstrecke können über eine leicht zu realisierende Anzahl von Mischstufen (z.B. 5 bis 20) bis zum Mischerausgang theoretische Dicken der einzelnen Fluidschichten im Bereich weniger 0,01 mm oder noch darunter realisiert werden. Bei entsprechender Auslegung erreicht ein erfindungsgemäßer Mischer somit in vielen Fällen annähernd die Leistungsfähigkeit eines Multilaminations-Mikromischers mit vergleichbaren Druckabfall- und Durchflusswerten. Im Vergleich zu diesem weist der erfindungsgemäße Statikmischer jedoch um gut einen Faktor 5 bis 20 größere minimale Abmessungen der durchströmten Kanäle auf und ist folglich wesentlich weniger anfällig gegenüber Ablagerungen und Verstopfungen. So können mit einem erfindungsgemäßen Statikmischer u.a. auch vorteilhaft Medien verarbeitet werden, welche feste oder anderweitig nicht-fluide Bestandteile enthalten (z.B. Suspensionen, Slurries, Gele, Aufschwämmungen von Flocken etc.) oder in denen im Verlauf der Vermischung z.B. infolge chemischer Reaktionen solche nicht-fluiden Bestandteile (ggf. auch temporär) entstehen. So lässt sich ein erfindungsgemäßer Statikmischer beispielsweise besonders vorteilhaft zur Herstellung von Polymeren oder Polymergemischen, zur Vermischung wenigstens zweier fluider Medien, von denen wenigstens eines eine Suspension ist, oder zur Erzeugung von Suspensionen durch Fällung einsetzen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beispielhaft erläutert ohne sie jedoch darauf zu beschränken.
Es zeigen:
Figur Ia bis c den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mischers für verschiedene Anzahlen von zu vermischenden fluiden Medien im Längsschnitt,
Figur 2a bis f Querschnitte eines erfindungsgemäßen Mischers an unterschiedlichen
Positionen innerhalb einer Mischstufe,
Figur 3a bis f Querschnitte eines erfindungsgemäßen Mischers mit alternativer Führung der Teilkanäle an unterschiedlichen Positionen innerhalb einer Mischstufe, Figur 4a bis i Querschnitte eines erfindungsgemäßen Mischers mit einer weiteren alternativen Führung der Teilkanäle an unterschiedlichen Positionen innerhalb einer Mischstufe, wobei der azimutale Versatz der Teilkanäle in aufeinander folgenden Mischstufen in entgegen gesetzter Richtung erfolgt,
Figur 5 a und b eine perspektivische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der
Mischstrecke eines erfindungsgemäßen Mischers (Ausschnitt) in zusammengebauter und explodierter Form und
Figur 6 eine perspektivische Darstellung einer weiteren möglichen
Ausführungsform der Mischstrecke eines erfϊndungsgemäßen Mischers (Ausschnitt) in teilweise explodierter Form
Figur Ia) zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Statikmischers in einer Ausführung, wie sie vorzugsweise zur Vermischung zweier unterschiedlicher fluider Medien verwendet wird. Der Mischstrecke (2), bestehend aus einer Abfolge sequenziell durchströmter Mischstufen (1), ist hierbei ein Mischerkopf (3) vorgeschaltet, welcher die beiden über die Einlasse (5a/b) getrennt zugeführten zu vermischenden Medien (7a/b) in Form eines radial geschichteten Ringstroms in die Mischstrecke einspeist. Das Gemisch (8) verlässt den Mischer über das am Ausgang (6) der Mischstrecke angebrachte Auslasssegment (4).
Figur Ib) zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Statikmischers in einer weiteren Ausführung, die bevorzugt für die weitere Vermischung bzw. Homogenisierung eines bereits vorvermischten Produktstroms (7) eingesetzt werden kann. Diese Ausführung unterscheidet sich von der in Fig. Ia gezeigten im Wesentlichen durch die Form des Mischerkopfes, welcher in diesem Fall nur mit einem Fluideinlass (5) versehen ist.
Figur Ic zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Statikmischers in einer dritten Ausführung, die vorzugsweise der Vermischung dreier getrennter Fluidströme dient. Hierbei kann es sich beispielsweise um drei unterschiedliche Medien handeln, die simultan zu einem einheitlichen Gemisch verarbeitet werden sollen. Eine vorteilhafte Verwendung findet eine derartige Ausführung des Mischers jedoch auch bei der Vermischung von nur zwei unterschiedlichen Medien, z.B. wenn diese in besonders großem Massenstromverhältnis zugeführt werden oder stark unterschiedliche Viskositäten aufweisen. In diesen Fällen ist es vorteilhaft über die Einlasse (5b) und (5c) die Gemischkomponente mit dem größeren Massenstrom bzw. der niedrigeren Viskosität zuzuführen und die andere Gemischkomponente über den Fluideinlass (5a) einzuspeisen. Figur 2 illustriert die Fluidfuhrung innerhalb einer Mischstufe eines erfϊndungsgemäßen Mischers anhand einer Sequenz von in Durchströmungsrichtung aufeinander folgenden Querschnitten: Der Gemischstrom tritt in Form einer - im Idealfall radial geschichteten - Ringströmung (10) in die Mischstufe ein (Fig. 2a). Im nächsten Schritt geht diese Ringströmung in eine (gerade) Anzahl von Teilkanälen (11) über, wird dabei also azimutal segmentiert (Fig. 2b). Im weiteren Verlauf erfahren die Teilkanäle einen abwechselnd entgegen gesetzten radialen Versatz (Fig. 2b nach 2c), bis benachbarte Teilkanäle in radialer Richtung nicht mehr miteinander überlappen. Anschließend erfahren die Teilkanäle eine azimutale Streckung, bis ursprünglich benachbarte Teilkanäle einander in azimutaler Richtung wieder weitgehend überlappen (Fig. 2c nach 2d). Als Zwischenstadium beim Übergang in die folgende Mischstufe kann wiederum eine unsegmentierte Ringströmung erreicht werden (Fig. 2e) oder die Teilsegmentierung nach der azimutalen Streckung (Fig. 2d) geht vorzugsweise unmittelbar in die Teilkanalanordnung der folgenden Mischstufe (Fig. 2f - dann um 1/16 Drehung rotiert) über. In den meisten Anwendungen wird der azimutalen Streckung der Teilkanäle, welche den Übergang der radial versetzten Teilkanäle in eine (ggf. segmentierte) Ringströmung darstellt (Fig. 2c nach 2d) vorzugsweise eine simultane radiale Stauchung der Teilkanäle überlagert, um den Gesamtströmungsquerschnitt entlang der Mischstufe annähernd konstant zu halten und die Abmessungen des Ringkanals am Übergang der Mischstufen bei allen (oder zumindest mehreren aufeinander folgenden) Mischstufen gleich zu halten.
In Figur 3 ist eine alternative Fluidfuhrung innerhalb einer Mischstufe eines erfindungsgemäßen Mischers anhand einer Sequenz von in Durchströmungsrichtung aufeinander folgenden
Querschnitten dargestellt. Wiederum erfolgt zunächst eine azimutale Segmentierung des eintretenden Ringstroms und ein abwechselnder radialer Versatz der so entstehenden Teilkanäle
(Fig. 3a und b). Anschließend werden jedoch jeweils benachbarte Teilkanäle in entgegen gesetzter azimutaler Richtung so versetzt, dass sie zumindest annähernd vollständig azimutal überlappen (Fig. 2c). Anschließend an diesen Versatz, oder alternativ auch parallel hierzu, werden die
Teilkanäle soweit in azimutaler Richtung gestreckt, dass zum Ende der Mischstufe hin wieder eine
(ggf. segmentierte) Ringströmung erreicht wird (Fig. 2d bis f).
Figur 4 illustriert im Wesentlichen dieselbe Fluidfuhrung innerhalb einer Mischstufe eines erfindungsgemäßen Mischers, stellt jedoch ergänzend auch die Abfolge der Teilkanalverläufe in der darauf folgenden Mischstufe (Fig. 4f bis i) dar. Insbesondere erfolgt in dieser folgenden Mischstufe der azimutale Versatz radial gegeneinander verschobener benachbarter Teilkanäle in entgegen gesetzter Richtung zur vorherigen Mischstufe. Diese Form der Fluidfuhrung, bei der die Richtung des azimutalen Versatzes innerhalb aufeinander folgender Mischstufen jeweils alterniert, ist besonders bevorzugt, da hierdurch entlang der Mischstrecke eine besonders gute Quervermischung zwischen den Teilkanälen erfolgt. Figur 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Mischstrecke (Ausschnitt) eines erfindungsgemäßen Mischers. Diese setzt sich aus einem zylinderförmigen, auf seiner Außenfläche mit Kanalstrukturen versehenen Kern (20) sowie im Wechsel darüber geschobenen inneren (21) und äußeren (22) Ringsegmenten zusammen, welche in der Kombination die gewünschte Realisierung der Teilkanalführung ergibt (im gezeigten Beispiel die in Fig. 2 skizzierte).
Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform der Mischstrecke eines erfindungsgemäßen Mischers (Ausschnitt). Diese ist aus zwei unterschiedlichen Typen von keilförmigen Zylindersegmenten zusammengesetzt, in deren Seitenflächen spezifische Kanalstrukturelemente eingebracht sind. Bei alternierender Anordnung der Zylindersegmente zu einem vollständigen Zylinder verbinden sich die Kanalstrukturelemente der einzelnen Segmente zur Mischstruktur einer erfindungsgemäßen Mischstrecke.
In Figur 7 ist eine weitere mögliche Ausführungsform einer Mischstufe der Mischstrecke eines erfindungsgemäßen Mischers dargestellt. Hierbei sind die Teilkanäle abschnittsweise als durchgehende Öffnungen oder Bohrungen in verschiedene, bevorzugt runde, Scheiben eingearbeitet. Durch ausgerichtetes Stapeln der Scheiben bilden die Öffnungen oder Bohrungen ein zusammenhängendes System von Kanälen einer erfindungsgemäßen Mischstrecke. Der Scheϊbenstape] wird zum Gebrauch in ein geeignetes, z.B. rohrförmiges Gehäuse eingeschoben (hier nicht gezeigt), welches ggf. einen Mischerkopf und ein Auslasssegment zur Zu- und Abführung der Prozessfluide enthält.
Bezugszeichenliste:
1. Mischstufe
2. Mischstrecke
3. Mischerkopf 4. Auslasssegment
5. Einlass für Vorgemisch
5a, 5b, 5c. Einlasse für Gemischkomponenten
6. Mischerauslass
7. Vorgemisch 7a ,7b, 7c. Gemischkomponenten (zu vermischende Medien)
8. Gemisch
10. Ringkanal am Eintritt zur Mischstufe
11. Teilkanal
12. (Unsegmentierter oder teilsegmentierter) Ringkanal am Austritt der Mischstufe/Eintritt zur folgenden Mischstufe
13. Segmentierter Ringkanal (am Eintritt zur folgenden Mischstufe)
20. Kernelement
21. Inneres Ringelement
22. Äußeres Ringelement

Claims

Patentansprüche
1. Statischer Mischer, umfassend eine vom Mischgut sequenziell durchströmte koaxiale Anordnung von wenigstens zwei Mischstufen, jede einzelne davon enthaltend einen ggf. azimutal segmentierten Ringkanal, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Ringkanal in jeder Mischstufe jeweils in eine gerade Anzahl annähernd gleich großer Teilkanäle übergeht, welche entlang der Strömungsrichtung zunächst einen alternierenden radialen Versatz durchlaufen bis benachbarte Teilkanäle radial nicht mehr überlappen, dann durch azimutale Verschiebung und/oder Verbreiterung zu radial ineinander geschachtelten, ggf. azimutal segmentierten Ringkanälen ausgezogen werden, welche schließlich am Ende der Mischstufe durch radiale Verschmelzung wieder zu einem ggf. azimutal segmentierten
Ringkanal zusammen laufen.
2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Mischstufe eine Vorrichtung zur Einspeisung von wenigstens zwei fluiden Medien vorgeschaltet ist, die die einzuspeisenden Medien in einem radial geschichteten Ringstrom überführt und diesen in den Eintrittsringkanal der ersten Mischstufe einführt.
3. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung der radial alternierenden Teilkanäle in ggf. azimutal segmentierte Ringkanäle ausschließlich durch azimutale Verbreiterung erfolgt.
4. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung der radial alternierenden Teilkanäle in ggf. azimutal segmentierte Ringkanäle durch zunächst azimutale Verschiebung und anschließende azimutale Verbreiterung erfolgt.
5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal bereits am Ein- und Austritt jeder Mischstufe in eine gerade Anzahl von Teilkanälen azimutal segmentiert ist und dass diese Segmentierung in der jeweils folgenden Mischstufe ohne Stufen fortgeführt wird.
6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mischstufen dem 0,3- bis 0,7-fachen der Anzahl der Teilkanäle innerhalb einer Mischstufe entspricht.
7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser der Teilkanäle in den Mischstufen nicht größer als 2 mm ist. - -
8. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer mit einer Vorrichtung zur Temperierung der hindurch strömenden Medien ausgestattet ist.
9. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Mischstrecke aus einem konus- oder zylinderförmigen Kernelement mit darin eingebrachten Kanalstrukturen, mehreren über diesen Kern geschobenen, z. T. mit im Wesentlichen axial verlaufenden Kanalstrukturen versehenen, einander überlappenden Ringelementen und einem umschießenden druck- und fluiddichten, rohrförmigen Mantel aufgebaut ist.
10. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Mischstrecke aus einer geraden Anzahl von keilförmigen Zylindersegmenten zusammengesetzt ist, in deren Seitenflächen Kanalstrukturabschnitte eingebracht, welche im zusammengebauten Zustand die erfindungsgemäße Anordnung und Abfolge von Mischkanälen ergeben.
11. Verwendung eines Statischen Mischers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur
Herstellung von Polymeren oder Polymergemischen.
12. Verwendung eines Statischen Mischers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Vermischung wenigstens zweier fluider Medien, von denen wenigstens eines eine Suspension ist.
13. Verwendung eines Statischen Mischers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Erzeugung von Suspensionen durch Fällung.
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